Quantumcomputers zijn nog steeds een droom, maar het tijdperk van kwantumcommunicatie is aangebroken. Een nieuw experiment, uitgevoerd in Parijs, toonde voor het eerst aan dat kwantumcommunicatie superieur is aan klassieke methoden voor het verzenden van informatie.
"We waren de eersten die een enorm voordeel toonden bij het communiceren van de informatie die twee partijen nodig hebben om een taak te voltooien", zegt Eleni Diamanti, een elektrotechnisch ingenieur aan de Sorbonne University en co-auteur van het onderzoek.
Kwantummachines - die de kwantumeigenschappen van materie gebruiken om informatie te coderen - zullen naar verwachting een revolutie teweegbrengen in de computerwereld. Maar de vooruitgang op dit gebied is buitengewoon traag. Terwijl ingenieurs werken aan het maken van rudimentaire kwantumcomputers, hebben theoretische wetenschappers te maken gehad met een meer fundamenteel obstakel: ze hebben niet bewezen dat klassieke computers nooit de taken kunnen voltooien waarvoor kwantumcomputers zijn ontworpen. Afgelopen zomer bewees een man uit Texas bijvoorbeeld dat een probleem dat lange tijd alleen op een kwantumcomputer als oplosbaar werd beschouwd, snel kan worden opgelost op een klassieke computer.
Welkom in het kwantumtijdperk
Op het gebied van communicatie (niet computing) kunnen de voordelen van de kwantumbenadering echter worden bevestigd. Meer dan een decennium geleden hebben wetenschappers bewezen dat kwantumcommunicatie, althans in theorie, superieur is aan klassieke manieren om berichten voor specifieke taken te verzenden.
“Mensen hielden zich vooral bezig met computertaken. Een van de grote voordelen is dat bij communicatietaken de voordelen aantoonbaar zijn."
In 2004 presenteerden Jordanis Kerenidis, co-auteur van Diamanti's werk, en twee andere wetenschappers een scenario waarin de ene persoon informatie naar de andere moest sturen, zodat een tweede persoon een specifieke vraag kon beantwoorden. Onderzoekers hebben bewezen dat een kwantumcircuit een taak kan volbrengen door exponentieel minder informatie over te dragen dan een klassiek systeem. Maar het kwantumcircuit dat ze presenteerden was puur theoretisch - en veel verder dan de technologie van de dag.
Promotie video:
"We konden dit kwantumvoordeel bevestigen, maar het was buitengewoon moeilijk om het kwantumprotocol te implementeren", zegt Kerenidis.
Het nieuwe werk is een aangepaste versie van het script dat Kerenidis en zijn collega's voor ogen hadden. Laten we, zoals gewoonlijk, naar twee onderwerpen kijken, Alice en Bob. Alice heeft een set genummerde ballen. Elke bal is willekeurig rood of blauw gekleurd. Bob wil weten of een bepaald paar ballen, willekeurig gekozen, dezelfde kleur heeft of anders is. Alice wil Bob zo min mogelijk informatie sturen en er tegelijkertijd voor zorgen dat Bob zijn vraag kan beantwoorden.
Dit probleem wordt een "patroonaanpassingsprobleem" genoemd. Het is essentieel voor cryptografie en digitale valuta, waar gebruikers vaak informatie willen uitwisselen zonder alles wat ze weten prijs te geven. Het toont ook perfect de voordelen van kwantumcommunicatie aan.
Je kunt niet zomaar zeggen dat ik je een film of zoiets ter grootte van een gigabyte wil sturen en deze in een kwantumtoestand wil coderen, in de verwachting een kwantumvoordeel te vinden, zegt Thomas Vidick, een computerwetenschapper aan het California Institute of Technology. "We moeten meer subtiele taken overwegen."
Voor de klassieke oplossing voor het matchprobleem moet Alice Bob een hoeveelheid informatie sturen die evenredig is met de vierkantswortel van het aantal ballen. Maar de ongebruikelijke aard van kwantuminformatie maakt een efficiëntere oplossing mogelijk.
In het laboratoriumcircuit dat in het nieuwe werk wordt gebruikt, communiceren Alice en Bob met behulp van laserpulsen. Elke impuls vertegenwoordigt één bal. De pulsen gaan door een straalsplitser, die de helft van elke puls naar Alice en Bob stuurt. Wanneer de puls Alice bereikt, kan ze de fase van de laserpuls verschuiven om informatie over elke bal te coderen - afhankelijk van de kleur, rood of blauw.
Ondertussen codeert Bob informatie over de paren ballen die hem interesseren in zijn helft van de laserpulsen. Vervolgens komen de pulsen samen in een andere straalsplitser, waar ze met elkaar interfereren. Het interferentiepatroon geproduceerd door de pulsen weerspiegelt verschillen in hoe de fasen van elke puls werden verschoven. Bob kan het interferentiepatroon aflezen op de dichtstbijzijnde foton-detector.
Tot het moment dat Bob de laserboodschap van Alice 'leest', kan de kwantumboodschap van Alice elke vraag over elk paar beantwoorden. Maar het proces van het lezen van de kwantumboodschap vernietigt het en Bob ontvangt informatie over slechts één paar ballen.
Deze eigenschap van kwantuminformatie - dat het op verschillende manieren kan worden gelezen, maar uiteindelijk alleen door één persoon kan worden gelezen - vermindert de hoeveelheid informatie die kan worden overgebracht om het monsterovereenkomstprobleem op te lossen aanzienlijk. Als Alice 100 klassieke bits naar Bob moet sturen zodat hij zijn vraag kan beantwoorden, kan ze dezelfde taak uitvoeren met ongeveer 10 qubits, of kwantumbits.
Dit is het proof of principle dat je nodig hebt om een echt kwantumnetwerk te creëren, zegt Graham Smith, een natuurkundige bij JILA in Boulder, Colorado.
Het nieuwe experiment is een duidelijke overwinning op klassieke methoden. De onderzoekers begonnen het experiment en wisten precies hoeveel informatie op de klassieke manier moest worden overgedragen om het probleem op te lossen. Vervolgens toonden ze overtuigend aan dat kwantumtools het op een compactere manier kunnen oplossen.
Dit resultaat biedt ook een alternatieve route naar een al lang bestaand doel in de informatica: bewijzen dat kwantumcomputers superieur zijn aan klassieke computers.
Ilya Khel
